DE4329986A1

DE4329986A1 - Abgasanlage für einen Viertakt-Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE4329986A1
Application number: DE19934329986
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Ing Montag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-09-04
Filing date: 1993-09-04
Publication date: 1995-03-09

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasanlage für einen Viertakt-Verbrennungsmotor, mit an die Zylinder des Motors an geschlossenem Abgaskrümmer Hosenrohr und Abgaskatalysator wobei das Hosenrohr Strömungskanäle enthält, die nach Betriebszustand des Motors unterschiedlich durchströmbar sind.

In der Abgasanlage treten gasdynamische Vorgänge auf, die den Abgasgegendruck an den Auslaßventilen des Motors beeinflussen und dadurch auf den Ladungswechsel sowie das Betriebsverhalten des Motors Einfluß nehmen. Diese Erkenntnis führte zu dem Gedanken, die Durchströmung des Hosenrohres, in welches der Abgaskrümmer einmündet, als Funktion des Betriebszustandes des Motors zu steuern und auf diese Weise die gasdynamischen Vorgänge so zu beeinflussen, daß gegen Ende der Ausströmphase jeweils ein möglichst niedriges Druckniveau am Auslaßventil anliegt. Die Abgasdynamik ist insbesondere durch sprunghafte Änderungen der Querschnittsfläche der Strömungskanäle und durch Änderung der Strömungskanallänge, steuerbar. Durch Beeinflussung der Abgasdynamik können der Füllungsgrad und der Wirkungsgrad der Zylinder angehoben und damit der Mitteldruck bzw. das Drehmoment des Motors und Leistungsverhalten verbessert werden.

Eine Abgasanlage der eingangs beschriebenen Art ist aus DE 39 03 492 A1 bekannt. Das Hosenrohr enthält Leitbleche, die um eine sich in Strömungsrichtung erstreckende Längsachse drehbar sind. Durch Betätigung der Leitbleche ist die Strömungskanallänge, nach der die Gasströme aus dem Abgaskrümmer zusammengeführt werden, veränderbar. Das von den Abgasen beaufschlagte Hosenrohr hat aufgrund seiner Masse ein beachtliches Wärmespeichervermögen und leitet Wärme nach außen ab. Das große Wärmespeichervermögen und die Wärmeableitung nach außen verlängern insbesondere in der Kaltstartphase den Zeitraum bis zur Erwärmung des Abgas katalysators auf Arbeitstemperatur. Während dieser Warmlaufphase erfolgt noch keine wirksame Abgasentgiftung. Die während der Kaltstartphase entstehenden Schadstoffemissionen machen einen beachtlichen Anteil der gesamten Schadstoffemissionen aus, die von Fahrzeugen mit Viertakt-Verbrennungsmotor verursacht werden.

Aus "MTZ Motortechnische Zeitschrift" 52 (1991) 4, Seiten 206 bis 210, ist es bekannt, die vor dem Abgaskatalysator liegenden Komponenten der Abgasanlage als doppelwandige Bauteile mit wärmedämmendem Luftspalt auszuführen. Die Innenwand ist aus dünnwandigem Blech gefertigt und besitzt nur ein geringes Wärme speichervermögen. Nach außen hin erfolgt eine wirksame thermische Isolierung durch den Luftspalt. Im Ergebnis kühlen die Motorabgase weniger ab, und der Abgaskatalysator erreicht seine Betriebstemperatur früher. Im Motorbetrieb mit hohen Leistungen ist die Luftspaltisolierung der vor dem Abgaskatalysator liegenden Bauteile der Abgasanlage nachteilig, denn aufgrund der mantelseitigen Dämmung stellen sich im Abgaskatalysator höhere Temperaturen ein, mit der Folge, daß dieser einer stärkeren thermischen Alterung unterliegt. Bei Vollast des Motors wird die maximal zulässige Temperatur des Katalysatormaterials schnell erreicht und möglicherweise auch überschritten. Insofern besteht ein Zielkonflikt darin, daß man zum einen ein schnelles Anspringen des Katalysators anstrebt, um frühzeitige Konvertierung zu erreichen, und daß man zum anderen hohe Temperaturen des Abgaskatalysators bei Dauerbetrieb des Motors vermeiden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Abgasanlage der eingangs beschriebenen Art unter Lösung des zuvor erläuterten Zielkonflikts so weiter zu entwickeln, daß bei einem Kaltstart des Motors die Arbeitstemperatur des Katalysators schnell erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß das Hosenrohr einen stets offenen Zentralkanal aus dünnwandigem Blech sowie einen diesen umgebenden Ringraum enthält und daß der Ringraum eine Absperreinrichtung aufweist, welche den Ringraum während der Kaltstartphase des Motors bis zur Erwärmung des Abgaskatalysators auf seine Arbeitstemperatur schließt und anschließend nach Maßgabe des Motorbetriebes betätigbar ist. Während der Kaltstartphase des Motors wird der Ringraum zur Luftspaltisolierung des Hosenrohrs genutzt. Der während der Kaltstartphase durchströmte Zentralkanal besitzt im Vergleich zu dem Außenmantel des Hosenrohres, welches aus Stabilitätsgründen als dickwandiges Bauteil gefertigt werden muß, ein verhältnismäßig kleines Wärmespeichervermögen. Der luftgefüllte, aber während der Kaltstartphase nicht durchströmte Ringraum des Hosenrohres ist ein ausgezeichneter Wärmeisolator. Im Ergebnis ist eine beachtliche Reduzierung der Zeitspanne möglich, in der der Abgaskatalysator seine Anspringtemperatur annimmt. Nach Erreichen der Anspringtemperatur wird die Einrichtung genutzt, um die Abgasdynamik nach Maßgabe des Motorbetriebes steuernd zu beeinflussen mit dem Ziel, daß gegen Ende der Auslaßphase ein möglichst niedriges Druckniveau an den Auslaßventilen des Motors anliegt. Vorzugsweise erfolgt eine Steuerung nach Maßgabe der Motordrehzahl und Motorlast. Die Steuerung ist mit den modernen Mitteln der Elektronik ohne weiteres ausführbar. Die Schaltung der Absperreinrichtung während der Kaltstartphase kann zeitabhängig oder temperaturabhängig erfolgen.

Vorzugsweise ist der Zentralkanal kürzer als der Außenmantel des Hosenrohres. Eine weitere Verbesserung ergibt sich, wenn der Ringraum mindestens zwei Kammern aufweist, die durch in Strö mungsrichtung verlaufende und den Zentralkanal mit den Außen mantel des Hosenrohrs verbindende Bleche getrennt sind, wobei die Absperreinrichtung Klappen aufweist, die jeweils einer Kammer des Ringraums zugeordnet und unabhängig voneinander nach Maßgabe des Motorbetriebes betätigbar sind. Die in Stufen wählbaren Strömungsquerschnitte und Strömungskanallängen, an deren Ende Gasströme aus den Abgaskrümmern zusammengeführt werden, er möglicht eine feinfühlige und an den Motorbetrieb gut angepaßte Änderung der Abgasdynamik. Eine Steigerung des Mitteldrucks bzw. des Drehmomentes um bis zu 5% ist erreichbar. Den Abgaskataly sator schädigende Überhitzungen sind dadurch vermeidbar, daß der Ringraum bei Vollastbetrieb des Motors geöffnet ist.

Eine weitergehende Verkürzung der Kaltstartphase des Motors bis zur Erwärmung des Abgaskatalysators auf seine Anspringtemperatur ist möglich, wenn nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung die Abgaskrümmer als doppelwandige Rohre mit wärmedämmendem Luftspalt ausgeführt sind, wobei die Innenwand aus dünnwandigem Blech besteht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigen schematisch

Fig. 1 eine Abgasanlage für einen Viertakt-Verbrennungsmotor, in perspektivischer, teilweise geschnittener Darstellung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Abgasanlage gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 den Schnitt A-A in Fig. 2.

Zum grundsätzlichen Aufbau der in den Figuren dargestellten Abgasanlage gehören an die Zylinder des Motors angeschlossener Abgaskrümmer 1, Hosenrohr 2 und Abgaskatalysator 3. Das Hosenrohr 2 enthält Strömungskanäle 4, 5, die nach Betriebszustand des Motors unterschiedlich durchströmbar sind. Das Hosenrohr 2 weist einen stets offenen Zentralkanal 4 aus dünnwandigem Blech 6 sowie einen diesen umgebenden Ringraum 5 auf. Der Fig. 2 entnimmt man, daß der Zentralkanal 4 kürzer ist als der Außenmantel 7 des Hosenrohrs 2. Der Ringraum 5 besteht aus mindestens zwei Kammern, die durch in Strömungsrichtung verlaufende und den Zentralkanal 4 mit dem Außenmantel 7 des Hosenrohrs 2 verbindende Bleche 8 getrennt sind.

Der Ringraum 5 weist ferner eine Absperreinrichtung 9 auf, die im Ausführungsbeispiel zwei Klappen 10 umfaßt. Die in Fig. 3 in Schließstellung dargestellten Klappen 10 sind jeweils einer Kammer des Ringraums 5 zugeordnet und durch zur Absperreinrichtung 9 gehörende Stelltriebe 11 betätigbar. Während der Kaltstartphase des Motors bis zur Erwärmung des Abgaskatalysators 3 auf seine Arbeitstemperatur sind die den Ringraum 5 bildenden Kammern geschlossen. Arbeitstemperatur meine eine Temperatur, die mindestens der Anspringtemperatur entspricht, bei der Konvertierung einsetzt. Hat der Abgaskatalysator 3 seine Arbeitstemperatur erreicht, wird die Absperreinrichtung 9 nach Betriebszustand des Motors, vorzugsweise in Abhängigkeit der Motordrehzahl und Motorlast, von einer nicht dargestellten Steuereinrichtung betätigt. Die Steuerung ist so eingerichtet, daß der Ringraum 5 bei Vollastbetrieb des Motors geöffnet ist. Im übrigen wird durch Betätigung der Absperreinrichtung 9 die Abgasdynamik der Abgasanlage so beeinflußt, daß gegen Ende der Auslaßphase ein möglichst niedriges Druckniveau an den Auslaßventilen des Motors anliegt, wodurch der Ladungswechsel verbessert und das Drehmoment des Motors gesteigert werden kann.

Während der Kaltstartphase des Motors bis zur Erwärmung des Abgaskatalysators 3 auf Arbeitstemperatur bildet der durch die stirnseitig angeordneten Klappen 10 geschlossene Ringraum 5 des Hosenrohres 2 einen Gasraum mit wärmedämmender Wirkung. Das Wärmespeichervermögen des als dünnwandige Blechkonstruktion aus geführten Zentralkanals 4 ist gering. Der Fig. 1 entnimmt man, daß der Abgaskrümmer 1 in Form doppelwandiger Rohre mit wärmedämmendem Luftspalt 12 ausgeführt ist, wobei die mit Abgas beaufschlagte Innenwand ebenfalls aus dünnwandigem Blech besteht. Durch die beschriebenen Maßnahmen wird erreicht, daß bei einem Kaltstart des Motors bereits nach kurzer Zeit im Abgaskatalysator 3 die Arbeitstemperatur erreicht wird, die für Konvertierungsreaktionen erforderlich ist.

Claims

1. Abgasanlage für einen Viertakt-Verbrennungsmotor, mit
an die Zylinder des Motors angeschlossenem Abgaskrümmer,
Hosenrohr und
Abgaskatalysator,
wobei das Hosenrohr Strömungskanäle enthält, die nach Maßgabe des Motorbetriebs unterschiedlich durchströmbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Hosenrohr (2) einen stets offenen Zentralkanal (4) sowie einen diesen umgebenden Ringraum (5) enthält und daß der Ringraum (5) eine Absperreinrichtung (9) aufweist, welche den Ringraum (5) während der Kaltstartphase des Motors bis zur Erwärmung des Abgaskatalysators (3) auf seine Arbeitstemperatur schließt und anschließend nach Maßgabe des Motorbetriebs betätigbar ist.

2. Abgasanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentralkanal (4) kürzer ist als der Außenmantel (7) des Hosenrohrs (2).

3. Abgasanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (5) mindestens zwei Kammern aufweist, die durch in Strömungsrichtung verlaufende und den Zentralkanal (4) mit dem Außenmantel (7) des Hosenrohrs (2) verbindende Bleche (8) getrennt sind, und daß die Absperreinrichtung (9) Klappen (10) aufweist, die jeweils einer Kammer des Ringraums (5) zugeordnet und unabhängig voneinander nach Maßgabe des Motorbetriebs betätigbar sind.

4. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperreinrichtung (9) durch die Motor drehzahl und Motorlast steuerbar ist.

5. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (5) bei Vollastbetrieb des Motors geöffnet ist.

6. Abgasanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaskrümmer (3) als doppelwandige Rohre mit wärmedämmendem Luftspalt (12) ausgeführt sind, wobei die Innenwand aus dünnwandigem Blech besteht.